CN114503354A - 电池模块及其制造方法 - Google Patents

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CN114503354A CN202180005625.5A CN202180005625A CN114503354A CN 114503354 A CN114503354 A CN 114503354A CN 202180005625 A CN202180005625 A CN 202180005625A CN 114503354 A CN114503354 A CN 114503354A
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battery
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李昶济
洪大地
李康一
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LG Energy Solution Ltd
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Abstract

本发明涉及一种电池模块及其制造方法。根据本发明的一个实施例的电池模块包括：电池单元堆，在其中堆叠有多个电池单元；汇流条框架，连接到电池单元堆；电极引线，连接到电池单元堆并且包括第一金属；以及汇流条，与电极引线重叠并且包括第二金属，其中，金属引线与汇流条通过焊接形成焊接部，相对于金属引线与汇流条之间的边界，焊接部包括中央部位于金属引线中的第一区域以及中央部位于汇流条中的第二区域，并且第一金属和第二金属的析出物分布在第一区域和第二区域两者中。

Description

电池模块及其制造方法
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年4月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0044829号的权益，其公开内容通过引用而整体并入本文中。
本发明涉及一种电池模块及该电池模块的制造方法，更具体地，涉及一种具有改进的焊接部的物理特性的电池模块及该电池模块的制造方法。
背景技术
二次电池可容易地应用于各种产品组并且具有诸如高能量密度的电特性，不仅广泛应用于便携式装置，而且广泛应用于由电力驱动源驱动的电动汽车或混合动力电动汽车、能量存储系统等。这种二次电池由于其主要优点是显著地减少了化石燃料的使用而且还在能源的使用中完全不产生副产物，因此其作为用于提高能源效率的新型环境友好能源受到关注。
小型移动装置针对每个装置使用一个或若干个电池单元，而诸如车辆等中型或大型装置需要高功率和大容量。因此，使用具有彼此电连接的多个电池单元的中型或大型电池模块。
同时，近来，随着对大容量二次电池结构(包括将其用作能量存储源)的需求持续增加，对多模块结构的电池组的需求也在增长，多模块结构是多个二次电池串联和/或并联连接的多个电池模块的组件。
同时，当多个电池单元串联/并联连接以构成电池组时，首先构成由电池单元组成的电池模块，然后使用电池模块中的至少一个并加入其他部件以构成电池组的方法是常见的。
为了使电池单元在电池模块的内部电连接，将电极引线相互连接，并且可以将连接部焊接以保持这种连接状态。此外，电池模块可以将电池单元之间并联和/或串联电连接，为此，可以通过焊接等方法将电极引线的一端固定到汇流条以进行电池单元之间的电连接。
另外，电池单元之间的电连接通常通过将电极引线接合到汇流条来形成。此时，为了将电池单元并联电连接，将具有相同极性的电极引线彼此连接和接合，为了将电池单元串联电连接，将具有不同极性的电极引线彼此连接和接合。
如上所述，当汇流条和电极引线被焊接时，焊接部的物理特性由于金属间化合物的析出而劣化，因此抗拉强度、疲劳寿命和导电性可能劣化。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种具有改进的焊接部的物理特性的电池模块及该电池模块的制造方法。
然而，本发明的实施例要解决的技术问题不限于上述问题，并且可以在本发明中包括的技术思想的范围内进行各种扩展。
技术方案
根据本发明的一个实施例，提供一种电池模块，包括：电池单元堆，在所述电池单元堆中堆叠有多个电池单元；汇流条框架，所述汇流条框架连接到电池单元堆；电极引线，所述电极引线连接到电池单元堆并且包含第一金属；以及汇流条，所述汇流条与电极引线重叠并且包含第二金属，其中，电极引线和汇流条被焊接以形成焊接部，其中，基于电极引线与汇流条之间的边界表面，焊接部包括中央部位于电极引线中的第一区域以及中央部位于汇流条中的第二区域，并且其中，第一金属和第二金属的析出物分布在第一区域和第二区域两者中。
电池模块可以进一步包括分别从电池单元堆中包含的电池单元中的彼此相邻的电池单元中突出的单元平台，其中电极引线可以分别从单元平台突出，并且包括具有相同极性的多个电极引线，并且其中电极引线可以与一个汇流条重叠。
电池模块可以进一步在电极引线与汇流条之间包括在汇流条上镀有第三金属的镀层。
第一金属可以包括铝，第二金属可以包括铜。
镀层可以包括镍。
析出物可以分布在焊接部的内部。
根据本发明的另一实施例的电池组包括上述的电池模块。
根据本发明的又一实施例的电池模块的制造方法包括：将多个电池单元堆叠以形成电池单元堆的步骤；将同一汇流条与分别从电池单元中的彼此相邻的电池单元中突出的电极引线中的至少一个重叠的步骤；以及将电极引线与汇流条焊接的步骤，其中，将电极引线与汇流条焊接的步骤包括：利用具有第一能量的激光预加热电极引线的步骤；以及利用具有第二能量的激光将预加热的电极引线与汇流条焊接的步骤，并且其中第一能量低于第二能量。
将电极引线与汇流条焊接的步骤可以包括在电极引线中包含的第一金属与汇流条中包含的第二金属之间引起共晶反应的步骤。
在将电极引线与汇流条焊接的步骤中，与第一金属混合的第二金属的合金浓度可以为22wt％至52wt％。
将电极引线预加热的步骤的焊接速度可以高于预加热的电极引线和汇流条的焊接速度。
电池模块的制造方法可以进一步包括在将电极引线与汇流条焊接的步骤之前，在汇流条上形成镀有第三金属的镀层的步骤。
激光可以具有从中心向外部被照射激光束的图案。
激光可以具有龙卷风焊接光束。
根据本发明的再一实施例的焊接方法是将电极引线与汇流条焊接的方法，包括：利用具有第一能量的激光预加热电极引线的步骤；以及用具有第二能量的激光将预加热的电极引线与汇流条焊接的步骤，其中，第一能量低于第二能量，并且其中，该方法包括在电极引线中包含的第一金属与在汇流条中包含的第二金属之间引起共晶反应的步骤。
有利效果
根据本发明的实施例，可以执行用相对较低的激光能量输入来预加热电极引线的步骤以及将预加热的电极引线与汇流条焊接的步骤，以在将汇流条与电极引线的焊接过程中控制异种金属之间的合金浓度并由此引起共晶反应。
因此，可以降低熔点，抑制金属间化合物析出的冷却时间变长，因此金属间化合物的析出控制变得非常有利。
另外，通过预加热步骤进行焊接后，通过缓慢冷却步骤，析出物能够以充分的熔体流动性散布在焊接部中，从而提高抗拉强度。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的电池模块的一部分的透视图；
图2是沿图1的切割线A-A’截取的剖视图；
图3是示意性地示出根据本发明的实施例的电极引线和汇流条的焊接结构的平面图；
图4是示意性地示出根据比较例的电极引线和汇流条的焊接方法的平面图；
图5和图6是示意性地示出根据本发明的实施例的焊接方法的平面图；
图7是示出通过根据本发明的实施例的焊接方法形成的焊接部的视图；
图8是示出铝和铜的二元相图的图；
图9是示出根据比较例的激光焊接光束的视图；
图10是示出根据本发明的实施例的激光焊接光束的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的各种实施例，使得本领域技术人员能够容易地实施它们。本发明可以以各种不同的方式进行修改，并且不限于这里阐述的实施例。
为了清楚起见，与说明书无关的部件的描述被省略，并且整个说明书中相同的元件用相同的附图标记表示。
此外，在附图中，为了便于描述，任意地示出了各个元件的尺寸和厚度，并且本发明不一定限于附图中示出的情况。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、区域等的厚度。在附图中，为了便于描述，夸大了某些层和区域的厚度。
另外，应当理解，当诸如层、膜、区域或板的元件被称为在另一个元件“上”或“上方”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上时，它表示不存在中间元件。此外，词语“上”或“上方”是指设置于基准部分之上或之下，并不一定指设置在基准部分的朝向重力的相反方向的上端上。
此外，在整个说明书中，当一部分被称为“包括”某个部件时，除非另有说明，否则意味着该部分可以进一步包括其他部件，而不排除其他部件。
此外，在整个说明书中，当被称为“平面”时，它是指从上侧观察目标部分时，当被称为“剖面”时，它是指从垂直切割的横截面的侧部观察目标部分时。
图1是示出根据本发明的实施例的电池模块的一部分的透视图。图2是沿图1的切割线A-A’截取的剖视图。
参考图1和图2，根据本发明的实施例的电池模块100包括：模块框架300；插入模块框架300中的电池单元堆120；以及汇流条框架130，所述汇流条框架130位于模块框架300的一个开口侧上并且连接到电池单元堆120。电池单元堆120通过在一个方向上堆叠多个电池单元110而形成。
模块框架300可以是覆盖除了电池单元堆120的前表面和后表面之外的四个表面的单框架的形式。这意味着为了将电池单元插入单框架中需要水平组装的类型的框架。然而，模块框架300不限于单框架，并且可以具有这样的形状，该形状包括其上表面、前表面和后表面开口的U形框架以及覆盖电池单元堆120的上部的上板。
形成从覆盖电池单元110的袋延伸的单元平台135，从单元平台135突出的电极引线160可以相遇并穿过一个引线槽(未示出)。相邻的单元平台135之间的距离可以随着与电池单元110的距离增大而逐渐变窄。此时，从单元平台135突出的电极引线160可以具有彼此相同的极性。当彼此相邻的电极引线160具有彼此不同的极性时，电极引线160从其突出的单元平台135彼此之间的距离可以随着远离电池单元110而越来越宽。
根据本发明的实施例，压缩焊盘200形成在最外面的电池单元110与模块框架300的侧表面部分之间。压缩焊盘200可以使用基于聚氨酯的材料形成。压缩焊盘200可以吸收由于膨胀导致的电池单元110的厚度的变形以及由于外部冲击导致的电池单元110的变化。至少一个压缩焊盘200不仅可以形成在最外面的电池单元110与模块框架300的侧表面部之间，而且还可以形成在彼此相邻的电池单元110之间。
在汇流条框架130上形成通过引导器260。在形成使三个相邻电池单元110中的每一者的电极引线160延伸的单元平台135之前，引导电极引线160使其穿过引线槽，并且引导器260可以形成在汇流条框架130的一侧。具体地，汇流条框架130可以在被定位成与电池单元110分离的汇流条框架130的后表面内包括通过引导器260。
通过引导器260可以在汇流条框架130的后表面处形成预定引导空间，使得可以在电极引线160穿过引线槽之前使三个电极引线160与单元平台135彼此靠近。通过引导器260可以设置多个。这里，可以设置多个通过引导器260以对应于多个引线槽的数量。因此，在多个电池单元110之间邻接的电极引线160形成三对，然后电极引线160可以经由各个通过引导器260穿过引线槽以形成电极引线160的组。
形成电极引线160的组的电极引线160的数量不限于三个，并且可以根据电池单元110的正极和负极的电极引线的布置而改变。
图3是示意性地示出根据本发明的实施例的电极引线和汇流条的焊接结构的平面图。
参考图3，多个电极引线160从单元平台135突出，单元平台135从覆盖电池单元110的袋延伸。从单元平台135突出的电极引线160可以在汇流条280所位于的方向上弯曲。弯曲的电极引线160可以与同一汇流条280重叠，多条电极引线160与汇流条280同时被焊接，以形成一个焊接部WP。
当电极引线160和汇流条280被焊接时，焊接部的物理特性由于金属间化合物的析出而劣化，因此，抗拉强度、疲劳寿命和导电性可能会劣化。特别地，如图3中的示例所示，为了同时焊接多个电极引线160，产生以下限制。首先，为了焊接因电极引线160的重叠而变粗的电极引线160，必须提高焊接机的规格。第二，随着彼此重叠的电极引线160的数量增加，应当提高焊接机的规格。第三，随着彼此重叠的电极引线160的数量增加，每个电极引线160层的焊接偏差增大，这可能导致焊接质量的下降。也就是说，最靠近焊接机的电极引线160层被过度焊接，距离焊接机较远的电极引线160层可能被较弱地焊接。最终，在非电镀汇流条的情况下，无法确保焊接部的物理特性。金属间化合物在焊接部的熔融界面处以高浓度析出，并且焊接强度可能会显著降低。
将参考图4的比较例描述金属间化合物以高浓度析出并且焊接强度降低的问题。
图4是示意性地示出根据比较例将电极引线和汇流条焊接的方法的平面图。
参考图4，包含铝的电极引线16和包含铜的汇流条28被进行激光焊接。在激光焊接的过程中，材料沿流动方向移动，CuAl2析出物(PM)在焊接界面(FI)处以高浓度析出为金属间化合物。这些析出物PM显著地降低了焊接强度，因此电极引线16与汇流条28可能被即使很小的冲击分离。
图5和图6是示意性地示出根据本发明的实施例的焊接方法的平面图。
参考图5，根据本发明的实施例，电极引线160中的至少一个可以与同一汇流条280重叠。然后，可以将电极引线160和汇流条280焊接。
将电极引线160和汇流条280焊接的步骤包括利用具有第一能量的激光预加热电极引线160的步骤。第一能量的大小与稍后描述的焊接步骤相比相对更低。通过这样的预加热步骤，可以在稍后描述的焊接步骤中控制合金浓度，从而提高要被焊接的金属的熔融流动性。优选地，在该步骤中形成的预加热部仅形成在电极引线160上。这是因为当用于预加热的激光能量传输到汇流条280时，开始形成析出物。
在进行激光焊接时，通过快速冷却容易形成析出物，但是根据本发明的实施例，可以通过预加热工序延迟冷却时间，以最大限度地增加析出物的形成时间。另外，通过预加热电极引线160的步骤可以增加激光束的表面清洁和吸收率。
参考图6，可以利用具有第二能量的激光来焊接预加热的电极引线160和汇流条280。此时，第二能量大于第一能量。在该步骤中，可能会引起电极引线160中包含的第一金属与汇流条280中包含的第二金属之间的共晶反应。第一金属包含铝，第二金属包含铜。
当引起第一金属与第二金属之间的共晶反应时，可以在比现有的可焊接温度更低的温度下进行焊接。例如，铝-铜的共晶反应发生在大约548摄氏度，并且在共晶温度下,焊接部WP的粘度最低,因此流动性可能非常高。在铝-铜共晶反应浓度下，熔融金属的流动性增加，因此可以降低在焊接界面处析出的金属间化合物的分布。
根据本发明的实施例，可以使电极引线160的预加热的焊接速度高于预加热的电极引线160和汇流条280的焊接速度。
在下文中，将参考图7描述使在焊接部中产生的析出物分散的步骤。
图7是示出通过根据本发明的实施例的焊接方法形成的焊接部的视图。
参考图7，电极引线160和汇流条280重叠，并且电极引线160和汇流条280被焊接以形成焊接部WP。基于电极引线160与汇流条280之间的边界表面BS，焊接部WP包括：第一区域WP1，在第一区域WP1中，中央部位于电极引线160中；以及第二区域WP2，在第二区域WP2中，中央部位于汇流条280中。在焊接过程中，形成电极引线160的第一金属和形成汇流条280的第二金属可以反应以形成析出物PM。根据本发明的实施例的析出物PM分布在第一区域WP1和第二区域WP2中。常规地，由于焊接部WP中材料流动性低，所以大部分析出物以高浓度形成在焊接界面FI处，而根据本发明的实施例，第一金属和第二金属的合金在焊接部WP中在流动方向上大量分散，因此析出物PM可能少量形成或者可能几乎没有析出物形成。特别是，在焊接界面(FI)处形成的析出物(PM)的浓度非常低，并且析出物(PM)被最小化。即使产生析出物PM，也可以通过使它们分散到整个焊接部WP来提高焊接强度。
图8是示出铝和铜的二元相图的图。
参考图8，在根据本发明的实施例的焊接工序中，与第一金属混合的第二金属的合金浓度可以约为22wt％至52wt％，优选为30wt％至40wt％，更优选为32wt％至35wt％。上述范围是发生共晶反应的温度范围。随着温度范围变窄，发生更多的共晶反应，因此熔融金属的流动性增加，从而减少了金属间化合物在焊接界面处析出的分布。
当合金浓度低于最小值22wt％时，在焊接过程中就不太可能发生焊缝熔深(weldpenetration)本身，而当合金浓度超过最大值52wt％时，金属之间不相互合金化，而结合成化合物。在合金浓度为超过最大值52wt％的54wt％左右的情况下，与一般的缓慢冷却凝固过程不同，焊接是快速冷却过程，因此有可能在凝固过程中形成theta相(θ相)。
在上述实施例中，电极引线160中包含的第一金属与汇流条280中包含的第二金属彼此接触。如上所述，根据本发明的实施例，即使在电极引线160与汇流条280之间不形成诸如镍的镀层，也可以提高焊接强度。
在变型实施例中，可以在电极引线与汇流条之间在汇流条上镀第三金属作为镀层。第三金属包括镍，其与形成汇流条的铜形成完全固溶体(complete solid solution)。在完全固溶体中，液相和固相中不出现异相，并且完全溶解在所有组成范围内，因此不形成金属间化合物。因此，镍可以在焊接界面处完全溶解铜，从而抑制由铝-铜引起的金属间化合物析出反应。虽然不一定需要镍镀层，但如果除了上述焊接方法之外还增加了镀镍层，则具有可以实现更好的焊接强度的优点。
图9是示出根据比较例的激光焊接光束的视图。图10是示出根据本发明的实施例的激光焊接光束的视图。
参考图9，它是激光束从外向中心集中的图案，在这种情况下，能量集中在中央部，并且在中央部可能形成深且窄的焊缝熔深。在将这种激光焊接光束应用于本实施例的情况下，当在汇流条的中心形成深且窄的熔融部时，激光等离子体通过小孔发射，因此它干扰了电极引线与第二金属的合金反应，并且汇流条的第一金属的浓度可能在焊接部的下端处增大。随着第一金属的浓度在焊接部的界面处增加，第一金属和第二金属的金属间化合物可能析出，并且焊接强度可能急剧下降。
参考图10，根据本发明的实施例的激光焊接光束增大了龙卷风的中央部的半径，并且激光束可以从中心向外部照射，以降低中央部的能量密度。因此，激光焊接部的焊缝熔深深度变得平坦。能量被均匀地传递到焊接部，使得更容易引起第一金属与第二金属之间的共晶反应。在预加热步骤之后，执行上述使用根据本发明的实施例的激光焊接光束的焊接步骤，然后进行缓慢冷却工序，使得第一金属和第二金属由于充分的熔体流动性而能够很好地混合。
同时，可以将根据本发明的实施例的一个或多个电池模块封装在电池组壳体中以形成电池组。
上述电池模块和包括该电池模块的电池组可以应用于各种装置。这些装置可以应用于诸如电动自行车、电动车辆、混合动力车辆的车辆装置，但是本发明不限于此，并且可以应用于能够使用电池模块和包括该电池模块的电池组的各种装置，其也属于本发明的范围。
尽管上面已经详细描述了本发明的优选实施例，但是本发明的范围不限于此，并且本领域技术人员使用以下权利要求限定的本发明的基本概念进行各种修改和改进也属于权利要求的范围。
附图标记的说明
160：电极引线
280：汇流条
FI：焊接界面
WP：焊接部

Claims (15)

1.一种电池模块，包括：
电池单元堆，在所述电池单元堆中堆叠有多个电池单元；
汇流条框架，所述汇流条框架连接到所述电池单元堆；
电极引线，所述电极引线连接到所述电池单元堆并且包含第一金属；以及
汇流条，所述汇流条与所述电极引线重叠并且包含第二金属，
其中，所述电极引线和所述汇流条被焊接以形成焊接部，
其中，基于所述电极引线与所述汇流条之间的边界表面，所述焊接部包括中央部位于所述电极引线中的第一区域以及中央部位于所述汇流条中的第二区域，并且
其中，所述第一金属和所述第二金属的析出物分布在所述第一区域和所述第二区域两者中。
2.根据权利要求1所述的电池模块，所述电池模块进一步包括分别从所述电池单元堆中包含的所述电池单元中的彼此相邻的所述电池单元突出的单元平台，
其中，所述电极引线分别从所述单元平台突出，并且包括具有相同极性的多条电极引线，并且
其中，所述电极引线与一个汇流条重叠。
3.根据权利要求1所述的电池模块，所述电池模块进一步包括在所述电极引线与所述汇流条之间在所述汇流条上镀有第三金属的镀层。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其中，所述第一金属包含铝，所述第二金属包含铜。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其中，所述镀层包括镍。
6.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述析出物分布在所述焊接部的内部。
7.一种根据权利要求1所述的电池模块的制造方法，所述方法包括：
将多个电池单元堆叠以形成电池单元堆的步骤；
将同一汇流条与分别从所述电池单元中的彼此相邻的所述电池单元中突出的电极引线中的至少一条重叠的步骤；以及
将所述电极引线与所述汇流条焊接的步骤，
其中，将所述电极引线与所述汇流条焊接的所述步骤包括：
利用具有第一能量的激光预加热所述电极引线的步骤；以及
利用具有第二能量的激光将预加热的所述电极引线与所述汇流条焊接的步骤，并且
其中，所述第一能量低于所述第二能量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
将所述电极引线与所述汇流条焊接的所述步骤包括在所述电极引线中包含的所述第一金属与在所述汇流条中包含的所述第二金属之间引起共晶反应的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在将所述电极引线与所述汇流条焊接的所述步骤中，与所述第一金属混合的所述第二金属的合金浓度为22wt％至52wt％。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述电极引线预加热的所述步骤的焊接速度高于预加热的所述电极引线和所述汇流条的焊接速度。
11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在将所述电极引线与所述汇流条焊接的所述步骤之前，在所述汇流条上形成镀有第三金属的镀层的步骤。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述激光具有从中心向外部被照射激光束的图案。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述激光具有龙卷风焊接束。
14.一种将电极引线与汇流条焊接的方法，包括：
利用具有第一能量的激光预加热所述电极引线的步骤；以及
利用具有第二能量的激光将预加热的所述电极引线与所述汇流条焊接的步骤，
其中，所述第一能量低于所述第二能量，并且
其中，所述方法包括在所述电极引线中包含的第一金属与在所述汇流条中包含的第二金属之间引起共晶反应的步骤。
15.一种电池组，包括根据权利要求1所述的电池模块。
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